研究了一種使2024 鋁合金同時獲得高強度和良好塑性的加工工藝———室溫條件下的小變形量、多道次冷軋和180 ℃×720 min 真空時效熱處理工藝。經過上述處理方法的樣品伸長率可達9%，較T351 工藝條件下樣品伸長率高30%;同時，與T351 工藝條件下比較，屈服強度提高~80 MPa。

　　鋁合金質輕且力學性能優異、可加工性好等優點應用廣泛。2×××系列鋁合金是添加了Cu和Mg 元素形成的鋁合金。因該類合金最初主要應用于飛機制造領域，又有飛機合金之稱。該系合金的特點是具有高的強度、較好的耐熱性和優良的成型性能，特別是抗疲勞裂紋拓展能力較7×××超高強鋁合金好。2024 鋁合金是該系合金中應用最為廣泛的合金之一。由于2024 鋁合金可以通過時效處理方法獲得優良的綜合力學性能，并且具有一定的高溫抗蠕變性能，使該合金仍然在交通運輸業、航空航天工業廣泛應用。

　　為了節約稀有金屬，通過探索適當的熱處理工藝來同時提高可熱處理強化型合金的強度和塑性，充分發揮其使役性能仍是目前結構材料研究的重點方向。尚勇等研究了多級時效對7175 合金力學性能和組織的影響，結果表明合金較為理想的熱處理制度是550 ℃×2 h 固溶處理后水淬，人工時效制度為雙級時效185℃×2 h+200℃×1 h。熱處理后，試樣抗拉強度可達340 MPa，伸長率達12%。形變熱處理可以將塑性變形引起的細晶強化和熱處理過程中產生的時效強化結合起來的工藝方法，這是提高鋁合金強度的另外一種重要手段。但是，對于大壓縮比壓縮變形后時效處理的2024 鋁合金的研究成果不多，研究大都針對加工工藝對抗拉強度的影響，對伸長量的研究不是很深入。同時，缺乏峰值時效時微觀組織的表征相關信息。因此，本文利用拉伸實驗機、透射電子顯微鏡以及EDS 能譜分析等現代化實驗分析手段，研究一種能對2024 合金工業化生產起指導意義的熱處理工藝，使該合金同時具有高的強度和較高的伸長率。

1、實驗過程

　　實驗用2024 鋁合金是經拉伸成型的管狀，壁厚10 mm。按質量分數(Wt%)表示其化學成分見表1。先將鋁管沿垂直于軸線方向切斷為40 mm 長的段，再沿軸線方向將其切割成尺寸近似為10mm×10mm×40 mm 的條狀。熱處理工藝如下：將樣品放于管式真空爐(真空度為-0.1 MPa)中進行495 ℃×60 min的固溶水淬處理;然后再次將固溶處理后的樣品切割成尺寸為5 mm×10 mm×40 mm 的條狀，數量為50 個;在室溫冷軋將上述切割后樣品進行冷軋(控制每次壓縮比<5%，分多次冷軋，累計的壓縮比為30%，40%和50%);最后，在壓強為-0.1 MPa的真空爐中進行180 ℃不同時間的時效熱處理。溫差控制在3%以內，間隔5 min 取出一條樣品投入室溫水中冷卻。上述固溶處理過程中的轉移時間<3 s。顯微硬度測量和拉伸力學性能測量分別按照GB/T 4340.1-1999 和文獻方式進行。透射電鏡樣品的制備參照文獻。微觀分析在傾角為±40°的GATAN 低背底雙傾臺，利用帶有GATAN 能譜分析功能的F30 透射電子顯微鏡上進行，形貌像和高分辨像采用分辨率為2048×2048 慢掃描CCD 記錄。

表1 2024 鋁合金名義化學成分(Wt%)

2、分析與討論

　　圖1 是冷軋后180 ℃真空條件下時效不同時間樣品的顯微硬度變化曲線。由圖1 可以看出，經冷軋后的三種樣品的硬度較T351 處理樣品的硬度有較大提高，并且冷軋后的樣品硬度隨時效時間的變化出現了兩個硬度峰值，對應的時效時間分別是120 min 和720 min。選取上述兩個時間段的時效樣品制作力學性能測試試樣，進行力學性能測試，并將力學性能測試結果示于圖2。作為比較將對比樣品的力學性能用虛線示于圖2 中。

圖1 冷軋時效態2024 鋁合金顯微硬度變化曲線

　　從圖2 中可以看出，4 種不同壓縮比冷軋后時效樣品的屈服強度較對比樣品有較大提升(圖2a)，冷軋后時效樣品屈服強度出現雙峰。第一個峰值出現時間為120 min，第二個峰值出現時間在時效720 min。壓縮比為30%的樣品的第二個時效峰值幾乎與第一個時效峰值相當，可以達到520 MPa。4 種樣品的伸長率(δ5)具有不同的變化趨勢(圖2b)，壓縮比為20%和30%經歷了升高、降低再升高過程，壓縮比為40%和50%樣品經歷的是升高、降低、升高和再次降低過程。壓縮比為30%的樣品，第二個時效峰(720 min)時壓縮比為30%樣品具有較好屈服強度和伸長率的匹配，屈服強度達520 MPa，幾乎接近第一時效峰值(523 MPa)，伸長率達9%較第一時效峰時(6.9%)伸長率提高達30%。

圖2 冷軋樣品力學性能曲線，（a）屈服強度（σ0.2）隨時效時間變化曲線；（b）伸長率隨時效時間變化曲線

　　為了揭示微觀組織對樣品力學性能的影響，接下來進行了材料微觀組織研究。由于30%壓縮后時效樣品力學性能較其他三種壓縮比樣品好，因此，微觀組織的觀察針對壓縮比為30%峰值時效狀態的樣品。

　　圖3 是壓縮比為30%樣品時效120 min 的形貌像。從圖3a 中可以看出，經180 ℃ 120 min 時效，樣品中大量位錯墻沿著軋制方向排列，圖3a 中插圖白色箭頭處的斑點就是S’相析出產生的特征電子衍射譜，因而證明合金中S’相已經析出。為了更確切說明S’相的析出，增大放大倍率后的形貌像見圖3b。從圖3b 中可以看出此時合金內部大量析出的去向不同的S’相。其中兩個S’相用白色箭頭示意性地標出。

圖3 壓縮比為30%時效120 min 樣品的形貌像，(a) 位錯墻結構形貌像，插圖是對應的電子衍射，(b)析出相形貌像

　　從圖2a 和圖2b 中可知，此時合金的強度高，但伸長率較低。強度高的原因主要是由高密度的位錯墻的存在和大量的S’的析出造成的。時效過程必然導致重結晶的發生，合金將產生軟化現象。大量S’相的析出產生的析出強化效果不但抵消了這種軟化現象，而且使強度進一步提升，進而達到第一個強化峰。S’是Al-Cu-Mg 系合金中常見的析出相、強化相，其能有效地阻礙鋁基體中位錯的運動，從而強化合金。樣品伸長率較低的原因可以理解為S’的析出致使位錯在基體中的運動受到阻礙，并且愈靠近S’應變場愈強，因而使變形變得不均勻化，造成頸縮過早地發生，降低了材料的伸長率。圖4 是壓縮比為30%樣品時效720 min 微觀組織像、電子衍射像和EDS 能譜分析結果。從圖4a中可以看出時效720 min 后樣品中出現了0.5 μm尺寸級別的析出相，對比圖3a 可知此時S’相已經全部分解。雙傾樣品至鋁的[001]帶軸，拍攝黑色析出相和鋁基體的電子衍射譜，并通過EDS 能譜分析確定析出相中只含有Al、Cu、Mg 三種元素。結合雙傾操作和上述信息，經標定該析出相為Ω 相。Ω 相是Al-Cu-Mg 合金中添加微量Ag 元素，在鋁基體的{111}晶面析出的盤狀單斜相。因{111}晶面是鋁的主要滑移面，在此面析出的Ω 相具有較強的阻礙滑移進行的能力，從而使析出Ω相的合金具有優良的力學性能。從圖4a 中可以看出在時效720 min 時合金內部大量存在的Ω 相能有效地阻礙位錯的運動起到強化合金的作用。同時，由于S’相的溶解，Ω 相的析出，多余的Mg 原子在鋁基體中富集也會引起固溶強化效果。此時真空技術網(http://smsksx.com/)認為伸長率有較大提高主要由于Ω 相之間就有較大的容納位錯增值的空間，樣品塑性變形能夠均勻進行，因而促使合金具有較好的伸長率。綜合上述分析結果可知，時效后樣品優良的綜合力學性能峰值的出現是由Ω 相析出引起的。

圖4 壓縮比為30%時效120 min 樣品的微觀組織，(a) 形貌像，(b)[001]Al 帶軸電子衍射，(c)EDS 能譜分析結果

3、結論

　　通過對室溫條件下冷軋并180 ℃真空環境下時效處理的2024 鋁合金的顯微硬度測量、力學性能測試和微觀組織的透射電鏡分析，可以得到如下結論：

　　(1)冷軋后時效處理的2024 鋁合金屈服強度出現兩個峰值，分別出現在120 min 和720 min 時效過程中;獲得優良力學性能的處理工藝是：室溫條件下多道次的、總壓縮比為30%的冷軋，180 ℃條件下真空720 min 時效;

　　(2)微觀組織觀察確認第一個強化峰的出現是由S’相析出導致的;但此時合金的延伸較低;第二個強化峰時樣品具有優良的力學性能———較高的屈服強度和較好的伸長率，這樣性能的獲得與Ω 相析出有直接關系。